(57)【要約】【課題】良好な強度を有する貫通孔付き絶縁基板を提供すること。【解決手段】貫通孔付きガラス基板１０は、第１の表面１１ａと、第２の表面１１ｂと、第１の表面１１ａと第２の表面１１ｂとの間に形成される貫通孔１３とを有する。ガラス基板１０の厚みが０．０１mm〜１ｍｍの範囲にある。貫通孔１３の平均直径Ｄとガラス基板１０の厚みｔとの比（Ｄ／ｔ）が１／５０〜１／５の範囲にある。貫通孔１３の両端部１５ａ、１５ｂの壁面がそれぞれ湾曲形状の断面形状を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面との間に形成される貫通孔とを有する貫通孔付きガラス基板であって、
前記ガラス基板の厚みが０．０１mm〜１ｍｍの範囲にあり、
前記貫通孔の平均直径Ｄと前記ガラス基板の厚みｔとの比（Ｄ／ｔ）が１／５０〜１／５の範囲にあり、
前記貫通孔の両端部の壁面がそれぞれ湾曲形状の断面形状を有する、貫通孔付きガラス基板。
【請求項２】
前記貫通孔の両端部の壁面はそれぞれ断面視で０．５μｍ〜１０μｍの範囲の平均曲率半径を有する、請求項１に記載の貫通孔付きガラス基板。
【請求項３】
前記貫通孔が前記ガラス基板に複数設けられていて、前記第１の表面における前記貫通孔の数密度は、０．１個／ｍｍ２〜１０，０００個／ｍｍ２の範囲である、請求項１又は２に記載の貫通孔付きガラス基板。
【請求項４】
前記ガラス基板が、ＳｉＯ２を５０質量％〜７０質量％の範囲で含有する請求項１〜３のいずれかに記載の貫通孔付きガラス基板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の貫通孔付きガラス基板と、前記貫通孔の壁面に設けられた導電性被覆としての貫通電極とを有する、貫通電極付きガラス基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通孔付きガラス基板、および貫通電極付きガラス基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの小型化および高集積化の要求に対応するため、複数のＬＳＩを含むシステムを、一つのパッケージとして三次元的に集約する技術、いわゆる「半導体三次元パッケージ化技術」の開発が進められている。このような半導体三次元パッケージでは、各素子同士及び素子とパッケージを実装するプリント基板とを電気的に接続する必要がある。
【０００３】
しかしながら、従来のワイヤーボンディングでは、微細ボンディングの限界やワイヤー長が長くなることによる伝送損失の問題がある。
【０００４】
そこで、伝送損失の少ないインターポーザが注目されている。インターポーザは、例えば素子と、パッケージを実装するプリント基板とを接続するものである。インターポーザは、基材に貫通孔を形成し、形成した貫通孔の壁面に貫通電極を形成してなる。
【０００５】
有機樹脂材料を基材としたオーガニックインターポーザでは、基材に微細な貫通孔を形成する方法として、多数の貫通開口が形成されたマスクを介して、絶縁層にレーザ光を照射する方法が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。この方法によれば、樹脂製の絶縁層に複数の貫通孔を同時に空けることができるので、貫通孔（ビアホール）をより容易に形成できる。また、非特許文献１には、このような絶縁層として、複数の貫通孔を有するガラス基板が使用され得ることが記載されている。
【０００６】
また、シリコンを基材に用いたシリコンインターポーザでは、基材に微細な貫通孔を形成する方法として、ボッシュプロセスと呼ばれる、Deep Reactive Ion Etching法により多数の微細な貫通孔を形成する方法が知られている。
【０００７】
一方、ガラスインターポーザでは、基材に微細な貫通孔を形成する方法として、レーザを用いて加工する方法、ドリルを用いて機械加工を行う方法、エッチングにより貫通孔を形成する方法などが検討されている。
【０００８】
貫通孔の壁面に貫通電極を形成する方法としては、めっき法、はんだなどの低融点金属を埋め込む方法、導電ペースト材料及び導電インク材料を埋め込む方法が検討されている。
【０００９】
ところで、オーガニックインターポーザでは、柔らかい有機樹脂材料を基材とするため、基材の寸法安定性に問題がある。また、シリコンインターポーザでは、円盤状のシリコンウエハから基材を切り出すため、基材の収率が悪く、コストに問題がある。そのため、寸法安定性やコストに優れたガラスインターポーザが注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】日本国特開２００５−８８０４５号公報
【特許文献２】日本国特開２００２−１２６８８６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】ＪＰＣＡ  ＮＥＷＳ、ｐ１６−ｐ２５  ２００９年１０月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のように、半導体デバイス貫通電極用の基板材料として、ガラス基板を使用することが考えられる。ガラス基板の貫通孔の壁面に貫通電極が形成される。
【００１３】
しかし、貫通電極とその配線が、貫通孔の端部で電気的に断線するという問題が生じ得る。この現象は、貫通電極などとガラス基板との熱膨張率の差によって生じる。
【００１４】
図４は、従来の貫通孔付きガラス基板の部分断面図である。貫通孔付きガラス基板は、ガラス基板５１に貫通孔５３を形成してなり、第１の表面５１ａと、第２の表面５１ｂと、第１の表面５１ａから第２の表面５１ｂまで延在する貫通孔５３とを有する。貫通孔５３の壁面、第１の表面５１ａ、および第２の表面５１ｂには、導電性被覆６１が設けられている。貫通孔５３の壁面に形成される導電性被覆が貫通電極として機能する。また、第１の表面５１ａや第２の表面５１ｂに形成される導電性被覆が配線として機能する。配線は、第１の表面５１ａや第２の表面５１ｂの一部に形成されてよい。
【００１５】
第１の表面５１ａと貫通孔５３との角部５２ａや、第２の表面５１ｂと貫通孔５３との角部５２ｂに、上術の導電性被覆６１とガラス基板５１との熱膨張差に起因する応力が集中する。その結果、角部５２ａ、５２ｂまたはその周辺を起点としたクラックが生じることがある。
【００１６】
特に、半導体デバイスに対するさらなる微細化の要請のため、半導体デバイス貫通電極用のガラス基板における貫通孔の数密度（単位面積あたりの数）は、将来さらに増加するものと思われる。このような傾向が続くと、ガラス基板の強度がよりいっそう低下し、そのため、前述のような貫通孔の端部でのクラックの発生の問題は、より顕著になるおそれがある。
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、ガラス基板と導電性被覆との熱膨張差に起因する、貫通孔の端部でのクラックの発生を抑制できる、貫通孔付きガラス基板の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様による貫通孔付きガラス基板は、
第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面との間に形成される貫通孔とを有する貫通孔付きガラス基板であって、
前記ガラス基板の厚みが０．０１mm〜１ｍｍの範囲にあり、
前記貫通孔の平均直径Ｄと前記ガラス基板の厚みｔとの比（Ｄ／ｔ）が１／５０〜１／５の範囲にあり、
前記貫通孔の両端部の壁面がそれぞれ湾曲形状の断面形状を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ガラス基板と導電性被覆との熱膨張差に起因する、貫通孔の端部でのクラックの発生を抑制できる、貫通孔付きガラス基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の貫通孔付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。
【図２】本発明の貫通電極付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。
【図３】本発明の貫通孔付きガラス基板の製造方法の一例を示す模式図である。
【図４】従来の貫通電極付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の貫通孔付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。図１に示すように、貫通孔付きガラス基板１０は、ガラス基板１１に貫通孔１３を形成してなり、第１の表面１１ａと、第２の表面１１ｂと、第１の表面１１ａから第２の表面１１ｂまで延在する貫通孔１３とを有する。第１の表面１１ａと、第２の表面１１ｂとは、互いに平行な平面である。
【００２３】
ガラス基板１１の厚みは０．０１ｍｍ〜１ｍｍの範囲にある。ガラス基板１１の厚みを１ｍｍ以下にすることにより、貫通孔１３が短時間で形成できる。また、ガラス基板１１の厚みを０．０１ｍｍ以上にすることで、貫通孔１３の形成時に破損などの問題が生じにくい。ガラス基板１１の厚みは、０．０２ｍｍ〜１ｍｍであることがより好ましく、０．０２ｍｍ〜０．７ｍｍであることがさらに好ましく、０．０５ｍｍ以上０．７ｍｍ以下であることが特に好ましい。
【００２４】
貫通孔１３は、板厚方向と垂直な断面視で円状に形成される。貫通孔１３の直径は、図１に示すように、第１の表面１１ａから第２の表面１１ｂにかけて、急激に小さくなった後、一定の比率で徐々に小さくなり、その後、急激に大きくなってよい。尚、貫通孔１３の直径は、両端部を除き、第１および第２の表面１１ａ、１１ｂからの深さ位置に関係なく一定であってもよい。
【００２５】
貫通孔１３の平均直径Ｄとガラス基板１１の厚みｔとの比（Ｄ／ｔ）が１／５０〜１／５の範囲にある。Ｄ／ｔが１／５０以上であると、ガラス基板１１の厚みｔに対して貫通孔１３の平均直径Ｄが十分に大きく、貫通孔１３の壁面に対する導電性ペーストの塗布が、第１および第２の表面１１ａ、１１ｂからの深さ位置に関係なく容易である。また、Ｄ／ｔが１／５以下であると、貫通孔１３の直径が十分に小さく、ガラス基板と導電性被覆との貫通孔１３を塞ぐ貫通電極をめっき法により短時間で緻密に形成できる。また、Ｄ／ｔが１／５以下であると、貫通孔１３を塞ぐ貫通電極の体積が小さく、貫通電極とガラス基板との熱膨張差による影響が小さい。
【００２６】
貫通孔１３の両端部の壁面１５ａ、１５ｂは、それぞれリング状に形成され、湾曲形状の断面形状を有している。ここで、「湾曲形状」は、円弧状、楕円弧状、放物線状などを含む。また、「断面」とは、貫通孔１３の周方向と直交する断面を意味する。貫通孔１３の両端部の壁面１５ａ、１５ｂは、それぞれ、貫通孔１３の周方向に沿って同じ断面形状を有してよい。貫通孔１３の両端部の壁面１５ａ、１５ｂは、互いに異なる断面形状を有してもよい。
【００２７】
貫通孔１３の第１の表面１１ａとの境界部（つまり、貫通孔１３の第１の表面１１ａ側の端部）の壁面１５ａは、第２の表面１１ｂ側から第１の表面１１ａ側に向けて凸の断面形状を有している。また、貫通孔１３の第２の表面１１ｂとの境界部（つまり、貫通孔１３の第２の表面１１ｂ側の端部）の壁面１５ｂは、第１の表面１１ａ側から第２の表面１１ｂ側に向けて凸の断面形状を有している。
【００２８】
貫通孔１３の両端部の壁面１５ａ、１５ｂはそれぞれ断面視で０．５〜１０μｍの範囲の平均曲率半径を有してよい。平均曲率半径が０．５μｍ以上であると、貫通孔１３の壁面に設けられる導電性被覆と、ガラス基板１１との熱膨張差に起因する応力が貫通孔１３の両端部に集中しにくい。また、平均曲率半径が１０μｍ以下であると、隣り合う貫通孔１３間のピッチが十分に広く、貫通孔１３同士の間に配線を形成する領域を確保できる。
【００２９】
図２は、本発明の貫通電極付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。図２に示すように、貫通電極付きガラス基板２０は、図１の貫通孔付きガラス基板１０に導電性被覆２１を設けてなる。
【００３０】
導電性被覆２１は、貫通孔１３の壁面、並びに第１および第２の表面１１ａ、１１ｂに設けられてよい。貫通孔１３の壁面に設けられた導電性被覆が貫通電極として機能する。貫通電極は、図２に示すようにガラス基板１１を貫通していればよく、貫通孔１３を完全に塞いでいなくてよい。一方、第１および第２の表面１１ａ、１１ｂに設けられた導電性被覆は配線として機能してよい。配線は、第１および第２の表面１１ａ、１１ｂの一部に設けられてよい。
【００３１】
この貫通電極付きガラス基板２０は、貫通孔１３の両端部の壁面１５ａ、１５ｂがそれぞれ湾曲形状の断面形状を有しているので、ガラス基板１１の熱膨張と導電性被覆２１の熱膨張との差によって生じる応力を緩和でき、貫通孔１３の両端部を起点としたクラックの発生を防止できる。
【００３２】
貫通電極付きガラス基板２０は、第１の表面１１ａに設けられた導電性被覆に積層される電極パッド２３をさらに有してよい。
【００３３】
尚、図２の電極パッド２３は、第１の表面１１ａに設けられた導電性被覆に積層されるが、第２の表面１１ｂに設けられた導電性被覆に積層されてもよく、また、両方の導電性被覆に積層されてもよい。
【００３４】
貫通電極付きガラス基板２０は、インターポーザとして用いられてよい。貫通孔電極付きガラス基板２０に含まれる貫通孔付きガラス基板１０は、下記の（１）〜（３）のような構成であることが好ましい。
【００３５】
（１）ガラス基板１１は、第１および第２の表面１１ａ、１１ｂから所定の深さで形成される化学強化層を有する。化学強化層の厚さは、例えば１μｍ〜３０μｍの範囲、好ましくは５μｍ〜２５μｍの範囲にあってよい。上記板厚のガラス基板１１においては、化学強化処理を深くまで行うと、ガラス基板１１全体がイオン交換され、表面圧縮応力が大きくならないため、化学強化層の厚さは２５μｍ以下であることが好ましい。また、充分な化学強化処理の効果を得ることから、化学強化層の厚さは５μｍ以上であることが好ましい。
【００３６】
化学強化層の表面圧縮応力が５００ＭＰａ以上、特に６５０ＭＰａ以上であることが好ましい。これによって、充分な化学強化処理の効果が得られる。なお、ガラス基板の表面圧縮応力および化学強化層の厚さは、例えば、折原製作所社製表面応力計ＦＳＭ−６０００などの表面応力計により、容易に測定できる。
【００３７】
（２）ガラス基板１１のＳｉＯ２濃度は、５０質量%以上７０質量％以下であることが好ましい。ＳｉＯ２含有量が７０質量％より高いと、貫通孔形成時に、裏面にクラックが生成しやすくなる。ガラスのクラック発生挙動はＳｉＯ２含有量の高いガラスと低いガラスで異なることが知られており、ＳｉＯ２含有量の高いガラスは物体との接触などにより、コーン形状のクラックが生成しやすい。一方、ＳｉＯ２含有量が５０質量％より低いガラスは物体との接触などにより、割れが生成しやすい。従って、ガラス基板中のＳｉＯ２含有量によって、割れやクラックが生成しにくくすることができる。ＳｉＯ２以外の成分については特に制限はなく、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＺｒＯ２等を任意の量で、任意に組み合わせたものを使用することができる。
【００３８】
（３）貫通孔１３がガラス基板１１に複数設けられ、第１の表面１１ａにおける貫通孔１３の数密度（平均値）は０．１個／ｍｍ２〜１０，０００個／ｍｍ２の範囲である。数密度が１０，０００個／ｍｍ２を超えると、ガラス基板１１が割れやすい。数密度は、０．１個／ｍｍ２〜１，０００個／ｍｍ２であることがより好ましく、０．５個／ｍｍ２〜５００個／ｍｍ２であることがさらに好ましい。
【００３９】
図３は、本発明の貫通孔付きガラス基板の製造方法の一例を示す模式図である。図３に示すガラス基板に貫通孔を設ける方法は、ガラス基板に対するレーザ光照射と電極間放電現象とを組み合わせたレーザ誘導式放電加工技術を用いた方法である。
【００４０】
図３に示すように、レーザ誘導式放電加工装置１００は、レーザ光源１１０と、高周波高電圧電源１３０と、直流高圧電源１４０と、切り替えユニット１５０と、一組の電極１６０Ａ、１６０Ｂとを有する。
【００４１】
レーザ光源１１０は、特に限定されないが、例えば１Ｗ〜１００Ｗの出力を有する二酸化炭素レーザであり、ガラス基板１８０の表面に例えば１０μｍ〜５０μｍの範囲の焦点スポットを形成してよい。
【００４２】
一組の電極１６０Ａ、１６０Ｂは、それぞれ、対応する導体１６２Ａ、１６２Ｂと電気的に接続されている。一組の導体１６２Ａ、１６２Ｂは、切り替えユニット１５０を介して、高周波高電圧電源１３０および直流高圧電源１４０と接続されている。
【００４３】
切り替えユニット１５０は、導体１６２Ａ、１６２Ｂの接続先を、高周波高電圧電源１３０／直流高圧電源１４０の間で切り替える役割を有する。
【００４４】
このようなレーザ誘導式放電加工装置１００を用いて貫通孔を形成する際には、ガラス基板１８０が、一組の電極１６０Ａ、１６０Ｂの間に配置される。電極間距離は、通常の場合、１ｍｍ程度である。ガラス基板１８０を支持するステージ（図示されていない）を水平方向に移動させることにより、ガラス基板１８０と電極１６０Ａ、１６０Ｂとの位置合わせが行われる。
【００４５】
次に、レーザ光源１１０からガラス基板１８０にレーザ光１１３が照射される。ガラス基板１８０のレーザ光１１３が照射される部分では、ガラス基板１８０のレーザ光１１３が照射されない部分よりも、温度が上昇し、抵抗が低くなる。
【００４６】
レーザ光１１３の照射後、短時間の内に、切り替えユニット１５０により、一組の導体１６２Ａ、１６２Ｂが高周波高電圧電源１３０に接続され、一組の電極１６０Ａ、１６０Ｂ間で、高周波高電圧の放電が生じる。放電は、抵抗の低い、レーザ光１１３の照射位置１８３において生じる。
【００４７】
一組の電極１６０Ａ、１６０Ｂ間での放電により、ガラス基板１８０におけるレーザ光１１３の照射位置１８３には大きなエネルギーが印加され、ガラス基板１８０が局部的に溶融する。溶融した部分では、絶縁破壊が生じ、電気が流れやすくなり、ジュール熱が生じやすくなる。
【００４８】
次に、切り替えユニット１５０により一組の導体１６２Ａ、１６２Ｂが直流高圧電源１４０に接続され、一組の電極１６０Ａ、１６０Ｂ間に高直流電圧が印加される。そうすると、ガラス基板１８０の溶融した部分にさらに大きなエネルギーが印加され、ガラス基板１８０の溶融した部分が熱で除去される。このようにして、ガラス基板１８０におけるレーザ光１１３の照射位置に貫通孔１８５が形成される。貫通孔１８５は、レーザ光１１３の照射エネルギーや照射形状、放電電圧等の調整によって、所望の形状に調整可能である。
【００４９】
貫通孔を形成する他の方法としては、例えば、レーザ加工やドリル加工によってガラス基板に貫通孔を形成した後に、フッ酸などの薬液処理により、貫通孔の両端部を断面湾曲形状に形成する方法などがある。
【００５０】
以上、貫通孔付きガラス基板の実施例などを説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された趣旨の範囲内で種々の変形、および改良が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０      貫通孔付きガラス基板
１１      ガラス基板
１１ａ    第１の表面
１１ｂ    第２の表面
１３      貫通孔
１５ａ    貫通孔の第１の表面との境界部（貫通孔の第１の表面側の端部）の壁面
１５ｂ    貫通孔の第２の表面との境界部（貫通孔の第２の表面側の端部）の壁面
２０      貫通電極付きガラス基板
２１      導電性被覆
２３      電極パッド
１００    レーザ誘導式放電加工装置
１１０    レーザ光源
１１３    レーザ光
１３０    高周波高電圧電源
１４０    直流高圧電源
１５０    切り替えユニット
１６０Ａ、１６０Ｂ  電極
１６２Ａ、１６２Ｂ  導体
１８０    ガラス基板
１８３    ガラス基板におけるレーザ光の照射位置
１８５    貫通孔
【図１】
2013102138.tif 000003
【図２】
2013102138.tif 000004
【図３】
2013102138.tif 000005
【図４】
2013102138.tif 000006